Kohezyon ve Adezyon Kuvveti
Kohezyon kuvveti, benzer maddelerdeki moleküller arasındaki çekim kuvvetidir; eşit olmayan maddelerdeki moleküller arasındaki çekim kuvvetine ise adezyon kuvveti denir. Örneğin, bir bardağa su döküyoruz. Su molekülleri birbirini çektiğinde kohezyon oluşurken, su molekülleri ve cam molekülleri birbirini çektiğinde adezyon oluşur.
Temas açısı
Kılcallık kavramını öğrenmeden önce, yapışma kuvveti ve kohezyon kuvvetinin kılcallık üzerindeki etkisini anlamamız gerekir. Örneğin, bir bardaktaki sıvıyı inceleyelim. Sıvı molekülünün kohezyon kuvveti, yapışma kuvvetinden (sıvı molekülü ile bardak molekülü arasındaki çekme kuvveti) daha güçlü olduğunda, sıvı yüzeyi yukarı doğru bir eğri oluşturur. Bunun bir örneği, bir bardaktaki sudur. Genellikle, suyun bardağın yüzeyini ıslattığı söylenir. Tersine, yapışma kuvveti daha güçlü ise, sıvının yüzeyi aşağı doğru eğri oluşturur. Örneğin, bir bardaktaki cıva.
Eğri tarafından oluşturulan açıya temas açısı denir. Sıvı kohezyon kuvveti adezyon kuvvetinden daha yüksek olduğunda, oluşan temas açısı genellikle 90 dereceden küçüktür.o (Şekil a). Tersine, yapışma kuvveti sıvı kohezyon kuvvetinden daha yüksekse, oluşan temas açısı 90 dereceden büyük olur.o (Şekil b). Yapışma kuvvetleri ve kohezyon kuvvetleri teorik olarak hesaplanması zor kuvvetlerdir, ancak temas açıları ölçülebilir. Bunun kılcallıkla ne ilgisi var?
Kılcallık kavramı
Sıvının kohezyon kuvveti adezyon kuvvetinden büyükse, sıvı yüzeyi yukarı doğru kıvrılır. İnce bir tüp veya boru (çapı kabın çapından daha küçük olan bir boru) yerleştirdiğimizde, kaptaki sıvı boru sütunundan yukarı doğru yükselir. Bunun nedeni, boru duvarı boyunca toplam yüzey gerilimi kuvvetinin yukarı doğru etki etmesidir. Bir sıvının ulaşabileceği maksimum yükseklik, yüzey gerilimi kuvvetinin borudaki sıvının ağırlığına eşit olduğu zamandır. Bu nedenle, sıvı ancak yüzey gerilimi kuvvetinin borudaki sıvının ağırlığıyla dengelendiği bir yüksekliğe kadar yükselebilir.
Tersine, yapışma kuvveti sıvı kohezyon kuvvetinden daha büyükse, sıvının yüzeyi aşağı doğru kıvrılır. İnce bir tüp veya boru (kabın çapından daha küçük çaplı bir boru) yerleştirdiğimizde, sıvının alt kısmında bir eğrilik oluşur (aşağıdaki resme bakınız).
Bu etkiye kılcallık denir ve ince boruya kılcal tüp adı verilir. En küçük kan damarlarımızın da kılcal borular olarak adlandırılabileceğini unutmayın, çünkü küçük kan damarlarındaki kan dolaşımı da kılcallık etkisiyle gerçekleşir. Benzer şekilde, balmumu veya gazyağının eksen boyunca eriyerek yükselmesi olayı da böyledir. Ayrıca, kılcallığın, suyun ve besleyici maddelerin köklerden yapraklara ksilem damarları yoluyla geçişinde de önemli bir rol oynadığına inanılmaktadır. Kılcallık olmasaydı, toprak yüzeyi yağmurdan hemen sonra kururdu. Kılcallığın bir diğer önemli etkisi de toprak parçacıkları arasındaki boşluklarda suyun tutulmasıdır.
Kılcallık denklemi
Kılcal boru sütunundan yükselen suyun yüksekliğini nasıl belirleyebiliriz? Yarıçapı r olan kılcal boru sütunundaki sıvı, h yüksekliğine kadar yükselir. Sıvıyı h yüksekliğinde tutan kuvvet, yüzey gerilimi kuvvetinin dikey yöndeki bileşenidir: F cos θ.
Kılcal borunun üst kısmı açık olduğundan, sıvının yüzeyinde atmosfer basıncı mevcuttur. Sıvı ile boru arasındaki temas yüzeyinin uzunluğu 2πr'dir (çevre). Dolayısıyla, temas yüzeyi boyunca etki eden dikey bileşenlerin yüzey gerilimi kuvvetinin büyüklüğü şöyledir:
F = Yüzey gerilimi kuvveti, γ = Yüzey gerilimi, r = kılcal borunun yarıçapı, θ = Temas açısı
Yukarı doğru kıvrılan yüzey göz ardı edilirse, borudaki sıvının hacmi şu şekildedir:
Sıvı hacmi = borunun yüzey alanı x sıvının yüksekliği
V = Ah
V = (π r 2 ) h
Yüzey gerilimi kuvvetinin dikey bileşeni, kılcal borudaki sıvı sütununun ağırlığıyla dengelenirse, sıvı tekrar yükselemez. Başka bir deyişle, yüzey gerilimi kuvvetinin dikey bileşeni sıvının ağırlığıyla dengelenirse, sıvı maksimum yüksekliğine, yani h yüksekliğine ulaşacaktır. Yüzey gerilimi kuvvetinin dikey bileşeni şöyledir:
F = γ 2 π r cos θ
Kılcal borudaki sıvının ağırlığı ise şöyledir:
w = mg
w = ρ V g
w = ρ (π r 2 h) g
Sıvı maksimum yüksekliğine (h) ulaştığında, yüzey gerilimi kuvvetinin dikey bileşeni, kılcal borudaki sıvının ağırlığına eşit olmalıdır. Matematiksel olarak şu şekilde yazılır:
Aradığımız denklem bu. Sıvı sütununun yüksekliğini belirlemek istiyorsanız, lütfen bu denklemi kullanmayı düşünün.
